一、均匀设计的提出
% Y6 t: I; O& e, ^( I6 |' ?& C3 a. I# p M实际中的试验设计要求:
' e2 }8 Y$ D+ G# e% L
1) 在一个生产过程中，有关的因素通常是很多的；
8 S# k% e, I+ x A8 e) N& g4 a2) 在一项试验中，如何从众多的有关因子挑选出试验方案中的因素；
0 E6 }+ s1 u- `( q% c1 p/ \3) 试验的范围应当尽可能大一点；
* g3 Y. H9 H$ h) F3 s- F4) 若试验范围允许大一些，则每一因素的水平个数最好适当多一些。
, `1 j7 v- U0 Y
每一种试验设计方法都有其局限性，正交试验也不例外。它只宜用于水平数不多的试验中，若在一项试验中有S个因素，每个因素有q个水平，用正交设计安排试验，即使是部分实施，最少也要q2个试验，当q较大时，q2将更大，使实验工作者望而生畏。
2 L% r7 D m( k( |5 `
怎样减少试验的次数呢？ 让我们从正交试验的特点入手，是否能够通过删除一些不太重要的性质，来达到减少试验次数的目的。
% b" C3 C7 j3 A! |7 @
我们以正交表为例，来解释正交设计的特点:
$ @1 i$ T# N5 h4 r$ r) T
1) 任意一列中不同数字的重复数相同；
6 P/ Y; t! g% Y4 Q
2) 任意两列中同行数字构成若干数对，每个数对的重复数也相等。
0 s* \' w# U8 N' F3 B7 I这可以归纳为正交表具有“整齐可比”的性质，这个性质是为了便于试验数据分析。正交设计还有“均匀分散”的性质，这使得试验点有代表性。为了保证“整齐可比”的特点，正交设计就至少要求q2次试验，若要减少试验数目，只有去掉整齐可比的要求，只保留均匀分散的性质。均匀设计也就应运而生了！
/ i, }3 J3 w/ e+ H" h' s2 x( {& |' Z二、均匀设计表及其使用表的构造
) t+ l$ M' a6 a& y* n
（一）均匀设计表的构造
; E. C+ v% r3 b' p9 [* p7 v6 ?根据均匀设计的思想，方开泰（1980），王元和方开泰（1981）为使用者提供了一套均匀设计表。每一个均匀设计表都由一张设计表和配套的一张使用表构成。均匀设计表有一个代号Un(qs)，其中“U”表示均匀设计，“n”表示试验次数，“q”表示每个因子的水平数，“s”代表该表的列数. 例如表1 U7(73) ，表示均匀设计，做7次试验，共有3个因子，每个因子有7个水平。
+ j3 ^( m" p) S9 d" D表1 U7(73)
' y3 z8 w5 T# i, G0 g- K' f/ j
均匀设计表的构造方法有很多种，这里仅介绍用好格子点法构造的均匀设计表。
, l5 A7 e' _6 i( s [2 A8 S1. 给定试验数n，寻找比n小的整数h，且使n和h的最大公约数为1。符合这些条件的整数组成一个向量h=(h1，…，hm).
; I4 D; L3 k% z L. x0 _
2. 均匀设计表的第i列由下法生成uij= jhi([modn]
@9 f7 I4 A* `" h& ]+ O这里[modn]表示同余运算，若jhi 超过n，则用它减去一个适当倍数，使差落在[l，n]之中,uij 可以递推来生成* m3 I! R8 [1 G; B) R3 p& e
2 G, l' ?3 a' ^$ j用上述步骤生成的均匀设计表记作Un(nm)，向量h称作该表的生成向量，有时为了强调h的作用，可将Un(nm)记成Un(h). 给定n，相应的h可以方便地求得，从而m也就确定。所以m是n的一个函数，这个函数曾由大数学家欧拉研究过，称为欧拉函数，记为E(n). 这个函数告诉我们均匀设计表可能有多少列。
4 E3 E$ G/ o# [5 e由上述好格子点法，很容易列举均匀设计表的一些特点:
7 Z; `, R. y4 H0 R7 S, P1) 每个因素的每个水平做一次且仅做一次试验；
2 `/ L: i! o3 c8 s. y% N2) 任两个因素的试验点点在平面的格子点上，每行每刊有且仅有一个试验点；
2 n) F' S. I6 L4 U' y3 Y4 t8 r
性质1)和2)反映了试验安排的“均衡性一，即对每个目素的每个水平一视同仁；
9 `4 i, F1 r/ h9 {7 ]
3) 均匀设计表任两组成的试验方案一般并不等价；
* q3 ~: i- m* K" ^* c4) 当因素的水平数增加时, 试验数按水平数的增加量在增加。
* F" _% @1 [! X7 y- _9 G4 u7 I9 ^（二）使用表的构造
" N" |' c) f8 ~) X# z& R
均匀设计在使用时由于选择的列不同，试验的效果也大不相同，于是建议读者按使用表的推荐去选列。那么使用表又是如何产生的呢?假设我们要从均匀设计表U(n)中选出s列，则可能的选择有 种。我们要从中选择一个最好的，这里必须对“好和坏” 有明确的含义。表Un(nm)是由它的生成向量h=(h1，…，hm)所唯一确定的，选择s列，本质上就是从h中选择s个hil，…，his由这s个数生成的均匀设计表为Un(hil，…，his)，它是一个n×s矩阵。它的每一行是s维空间Rs中的一个点，故n行对应Rs中n个点，若这n个点在试验范围内均匀，则试验效果好，否则试验效果不好。因此，比较两个均匀设计表Un(hil，…，his)和Un(hjl，…，hjs)的好坏等价于比较由它们所对应的两组点集的均匀性，于是我们必须要给出均匀性度量。
6 g2 K" a& F% q三、均匀性的度量
0 T+ }8 ], q. i& g# i8 [7 P在试验区域上布n个试验点Pn =｛xk =(xk1，…，xks)，k =1，…，n｝，如何度量其均匀性呢？在数论方法（或伪蒙特卡罗方法）中，最普遍采用的Lp-偏差。令x =(x1，…，xs)’∈Cs，[0,x)=[0,x1)×…[0，xs)为Cs中由远点O到x决定的矩形。令N (Pn，[0，x))为Pn中的点在Cs中散布均匀时，N (Pn，[0，x))/n应与[0，x)的体积Vol([0，x))相接近，两者的差
$ [' z2 G( h! m称为点集Pn在点x的偏差。所谓Lp-偏差定义为
当p→∞时，上式化为
6 n" R" r' R2 R3 V$ j/ N/ r当P=2时，L2-偏差为
* ]/ [! q! w7 o6 C- q% j 有关这两种偏差的优缺点及它们的改进，在这里就不再详述了。
9 N; f3 M! ^8 T7 I
四、均匀设计的应用
3 u0 F) r) q" u0 X 均匀设计的步骤和正交设计很相似，但也有一些不同之处。通常有如下步骤：
0 ^: ?0 C/ o* R4 a( t/ m; t- y L 1)根据试验的目的，选择合适的因素和相应的水平；
: f* b0 R3 X2 s, F! h: _' n
2)选择适台该项试验的均匀设计表，然后根据该表的使用表从中选出列号， 将因素分别安排到这些列号上，并将这些因素的水平按所在列的指示分别对号， 则试验就安排好了。
$ [6 N, x' T$ p2 b! \! P1 l* E
选择香港浸会大学生物系的一项试验，来说明均匀设计的应用。
0 S) w) K6 {2 Q4 b 为了研究环境污染对人体的危害，今考核六种金属的含量: 镉（Cd），铜（Cu），锌（Zn），镍（Ni），铬（Cr），铅（Pb），每种金属含量分别取17个水平（百万分之一,ppm）：0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1, 2, 4, 5, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20。今欲考虑这些金属含量（包括它们的交互作用）对老鼠寿命的影响，该试验考核老鼠身上某种细胞的死亡率。
8 h; x. ^' m' H3 x
综合考虑，选用均匀设计表U17(1716)，根据使用表的指示，选用了表中1, 4, 6, 10, 14, 15列来安排六个因素，其试验方案如表2所示。实验结果为死亡率，为了了解试验误差，提高结论的精度，他们在同一试验条件下将试验重复三次，三次结果(Y1，Y2，Y3)列于表3，三次死亡率的均值为Y，列于表3的最后一列。
* o! t) ~, K# p$ x7 M p0 n
表2 环保试验方案
表3 死亡率
7 A+ o4 k8 k& g1 t/ I
2 Y) l, J. ]7 e+ s 进一步利用回归来分析数据。由于数据的各因素水平变化较大，故通常要对水平值先作变换，如取对数后再进行回归。
/ ?8 p9 O- \, U0 K! Y( h2 H `+ ` 根据以往经验，知道六种金属间有交互作用，故应选用二次型回归模型，并利用逐步回归来筛选变量。最后得到的回归方程为：
: o7 i& d- l* j3 i% }
Y=32.68+5.03 log Cd +3.48 log Cu +2.03 log Ni
5 Y( T2 \: H" p, O" ]: y9 N+0.55(log Cu)2 -0.63(log Zn)2 +0.94(log Ni)2
' G8 Q' G- r% }8 T4 g+0.53(log Cd) log(Cu) -0.70(log Cd) log(Cr)# P. z1 N Y( a
+0.92(log Cu)(log Pb)
7 u4 Y: ^6 K2 a2 T7 | 我们可以得出如下结论：
k3 X t4 W$ u/ u; ?/ N 1. Cd，Cu和Ni的含量过高，对老鼠细胞的死亡率有显著作用；
$ M j, B+ ~, G E* n
2. 金属Cd和Cu，Cd和Cr，Cu和Pb有交互作用，其中Cd和Cu, Cu和Pb对死亡率起正交互作用，而Cd和Cr对死亡率起负交互作用；
& L+ Y. i/ s6 }6 q 3. Zn可能会中和其它金属的破坏作用，降低老鼠细胞的死亡率。
; j' W0 f( I4 x0 t: Y( y8 m$ W
- N$ W+ k) ]( ]: X$ [ 五、结论与建议
6 N F+ t/ E- O/ T. T 本文简要地介绍了均匀设计的相关知识，也仅仅是惊鸿一瞥。均匀设计的深入研究至今仍然十分有意义，包括均匀性的度量的修正等。
4 E) q; q* R/ l! I3 Y$ {1 A
均匀设计的应用日益广泛，成功的案例与日俱增，读者不难从各种文献库中发现这些案例。近年来，均匀设计走向国际，有关均匀设计和均匀性的文章在国际刊物上已发表了几十篇，包括国际上顶尖的一些杂志，如“Biometrika”, “Technometrics”， “Mathematics Computation”， SIAM的刊物等。$ W: P# I0 H$ U" q$ P9 ?
. X6 F. h$ [' V
参考文献
- H O* v6 A1 J8 z2 I" c [1] 方开泰（1994），均匀设计及其应用，《数理统计与管理》第13卷，第1期：57～63；第2期： 59～61； 第3期： 52～56
) k5 G8 R1 r0 G m$ f* v( M* Q# L C& Z [2] 方开泰，马长兴（2001），正交与均匀试验设计，科学出版社
7 A0 a3 Q/ x( d K9 ?2 _ a' s
[3] 方开泰（2004），均匀试验设计的理论、方法和应用——历史回顾，江苏大学学报
! K7 {6 a! a! x* ^& c C6 X1 ] N, y [4] 方开泰，王元（1996），数论方法在统计中的应用，科学出版社
|手机版|药群论坛
( 蜀ICP备15007902号 )
收藏
支持
反对